Nichtgleichgewichts-Universalität in getriebenen Rydberg-Gasen

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Diehl; Professor Dr. Shannon Whitlock
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428458621

Eine der großen Herausforderungen in der modernen Physik besteht darin, unser quantitatives Verständnis der Materie auf Nichtgleichgewichts-Szenarien auszuweiten, z.B. durch die Erweiterung einiger der erfolgreichsten Konzepte der statistischen Gleichgewichtsphysik wie Phasenübergänge, kritische Phänomene und Universalität. Dazu bieten Systeme aus ultrakalten Atomen, die durch ein Laserfeld kontinuierlich zu Rydberg-Zuständen angeregt werden, eine vielseitige Spielwiese, auf dem das komplexe Zusammenspiel von Antrieb, Dissipation und langreichweitigen Wechselwirkungen zu komplexer Vielkörperdynamik und einer sehr reichen Nichtgleichgewichts-Phasenstruktur führen kann. Insbesondere beim nicht-resonanten Antrieb über eine kritische Antriebskraft hinaus weist das System eine Instabilität als Folge von unterstützten Anregungsprozessen auf, die das System in Zustände mit hoher Anregungsdichte treiben. In Verbindung mit dem Zerfall einzelner Partikel entstehen so ausgedehnte Anregungscluster, ein absorbierender Nichtgleichgewicht-Zustandsphasenübergang und ein neuartiges selbstorganisierendes Verhalten. Nach den jüngsten experimentellen und theoretischen Durchbrüchen sehen wir nun die Möglichkeit, erstmals eine umfassende Bestimmung der universellen Eigenschaften von angetrieben-dissipativen Rydberg-Systemen vorzunehmen, die quantitativ mit paradigmatischen Nichtgleichgewichts-Universalitätsklassen verglichen werden können und direkt mit theoretischen Modellen aus der zugrunde liegenden mikroskopischen Physik verknüpft sind. Durch die Durchführung von Experimenten an außergewöhnlich reinen 1D- und 2D-Atomsystemen werden wir verschiedene kritische Exponenten und Skalierungsbeziehungen über die Mittelfeld-Näherung hinaus messen und feststellen, ob das nicht-resonant angetriebene, dissipative Rydberg-System in die Universalitätsklasse der gerichteten Perkolation fällt oder nicht. Als nächstes werden wir untersuchen, wie die Hinzufügung von langsamen Besetzungsverlusten und Pumpprozessen zur Entstehung einer robusten, selbstorganisierten kritischen Phase führt, die es ermöglicht, seit langem bestehende Fragen zu beantworten, wie z.B. ob die selbstorganisierte Kritikalität (SOC) eine wahre oder scheinbare Invarianz in der Größenordnung darstellt, oder ob die kritischen Eigenschaften des SOC mit bekannten Universalitätsklassen in Beziehung stehen. Schließlich werden wir über die Grenzen des klassischen Antrieb hinausgehen, um zu erforschen, wie Begriffe der Nichtgleichgewichts-Universalität im Quantenregime anwendbar sind, und so dazu beitragen, ein umfassendes Verständnis der Nichtgleichgewichts-Universalität zu liefern, die sowohl klassische als auch Quantenwelten verbindet.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1929: Giant Interactions in Rydberg Systems (GiRyd)
• Internationaler Bezug: Frankreich